ИБП On-Line и ИБП с Delta-преобразованием: основные преимущества и недостатки (сравнительный анализ)

Двойное преобразование и дельта-преобразование: преимущества и недостатки

Существует общепринятая в мире классификация схем источников бесперебойного питания выпускаемых в настоящее время. Все устройства делятся на три основные категории: резервные ИБП (Off-Line), линейно-интерактивные ИБП (Line-Interactive) и системы с двойным преобразованием напряжения (On-Line). Самым «продвинутым» классом считается On-Line. Именно такие ИБП обеспечивают наивысший уровень защиты нагрузки при любых неполадках в электросети. Схемы On-Line являются отраслевым стандартом для производства подавляющего большинства современных агрегатов средней и большой мощности. Тем не менее, выпускаются устройства, построенные по схеме дельта-преобразования. Они имеют существенные отличия от классических схем On-Line с двойным преобразованием напряжения, однако нередко продвигаются поставщиками в виде дальнейшего развития технологии On-Line.

Европейские и американские специалисты, в соответствии с общепринятыми стандартами EN500913 и IEEE100, относят устройства с дельта-преобразованием к категории усовершенствованных линейно-интерактивных ИБП. Основанием для этого вывода служит схожесть принципа действия, реализованного в обеих схемах.

И в том и другом случае, в отличие от классических схем On-Line, при работе ИБП в сетевом режиме полезная нагрузка питается от городской электросети через входной трансформатор. В агрегатах, основанных на дельта-преобразовании, он оснащен дополнительной обмоткой, на которую поступает корректирующее напряжение от дельта-инвертора. Это напряжение прямо пропорциональное разнице между входным напряжением и его номинальным (идеальным) значением, но имеет противоположную фазу. За счет этого образуется следящая система с отрицательной обратной связью, которая восстанавливается уровень и форму напряжения на нагрузке, а также компенсирует сдвиг между фазой тока и напряжения. Регулировка происходит плавно и обеспечивает существенно более качественные параметры электропитания нагрузки. Для сравнения, в линейно-интерактивных системах имеет место ступенчатая регулировка напряжения. Однако, существует прямая связь между городской сетью и полезной нагрузкой, которой нет в схемах On-Line с двойным преобразованием напряжения. А это не позволяет эффективно бороться с сетевыми помехами и высоковольтными импульсами, высокочастотными помехами, характерными для цепей питания персональных компьютеров и компьютерных сетей без использования дополнительных технических средств. Кроме того, ИБП с дельта-преобразованием при работе в нормальном режиме не может компенсировать отклонения частоты питающего напряжения.

Главным достоинством схемы с дельта-преобразованием является высокий КПД. Однако для его реализации требуется выполнение определенных условий: параметры напряжения сети должны соответствовать номинальному значению, входной импеданс нагрузки должен иметь только активный компонент, при этом ИБП должен работать на полную мощность (100% нагрузка). Если данные условия не выполняются происходит увеличение нагрузки на основной инвертор (ОИ), а также дельта-инвертор (ДИ). Снижается эффективность работы входного трансформатора, а это приводит ухудшению КПД системы. К такому же эффекту приводит увеличение допустимого диапазона изменения входного напряжения в нормальном режиме работы. В конечном счете, обладая преимуществом в КПД (23%) при работе в идеальных условиях, схемы на базе дельта-преобразования проигрывают системам On-Line при работе в реальных условиях. По такой же причине невозможно достичь обещанный производителями подобных устройств выигрыш при выборе мощности дизель-генераторной установки. Они рекомендуют использовать слишком маленький коэффициент 1.3 ... 1.5 для определения запаса мощности ДГУ. Однако, его можно использовать лишь в случае, когда нагрузка является идеально линейной. На практике это реализуется крайне редко. Поэтому необходимо применять коэффициент запаса 1.5 … 1.8. Точно такое же значение используется при установке On-Line ИБП с двойным преобразованием напряжения, снабженного входным THD-фильтром, обладающим относительно невысокой стоимостью.

Глядя на схему ИБП с дельта-преобразованием можно сразу заметить её более высокую сложность в сравнении с классическим On-Line. Одним из самых сложных элементов в ней являются четырехквадрантные устройства, применяемые для обеспечения двунаправленной работы основного инвертора. Это сказывается на стоимости и надежности устрйства с дельта-преобразованием. Кроме того, в сетевом режиме оба инвертора (основной и дельта-) должны функционировать синхронно со входной сетью. Поэтому переключение ИБП из автономного режима в сетевой происходит лишь при восстановлении синхронизации обоих инверторов с входным напряжением сети. Случайный сбой любого из элементов системы может привести к фатальному повреждению целой серии узлов и блоков. Процесс синхронизации существенно усложняется при параллельной включении нескольких модулей ИБП.

Подводя итог нашему анализу нужно отметить, что устройства с дельта-преобразованием подходят для работы в странах (местах) с относительно высоким качеством электросети. В реальных условиях, свойственных большинству регионов России и стран СНГ, такие схемы проигрывают системам On-Line с двойным преобразованием напряжения по своей конечной эффективности.

Преимущества и недостатки обеих технологий

Краткие выводы

Основываясь на мнении европейских и американских специалистов, а также отечественных инженеров, имеющих опыт эксплуатации и обслуживании энергетических установок, лучшим способом защиты ответственной нагрузки являются классические On-Line ИБП с двойным преобразованием напряжения. Данная концепция была заложена в упомянутые выше стандарты, классификации и нормативные документы.